1.1 研究背景及意义
随着社会经济的快速发展，高压直流输电技术和柔性交流输电技术的广泛应用，以大机组、超高压和长距离为特点的大规模电力系统得以迅速发展，规模化逐渐成为其必然发展趋势。电网互联水平的提高和运行方式的多样化使得电力系统的控制变得越来越困难，电力系统的安全运行受到极大挑战[1]。电网的互联必然给社会、经济带来许多效益。比如，实现了对整体资源的优化配置，降低了发电成本，减少了系统的备用容量，产生规模化效益等。我国正计划长距离、特高压输电工程，建议将全国电网建设成一个同步网。然而，电网规模的逐步扩大使得系统区域之间的功率低频振荡现象不断发生[2]。当互联区域电网内产生低频振荡后，便会引起电力系统小干扰稳定现象。小干扰稳定现象通常有两种表达形式[3]：一种是当系统被干扰时，同步电机的功角迅速扩大，同步转矩不足从而导致非周期失步。另一种是系统在受到扰动后，因系统中不充分的阻尼，系统内的功角也在不断地增大，进而引起振荡失步。小干扰稳定问题是制约互联系统传输容量的主要因素之一[3]。特别是在电网互联的初始阶段，区域互联系统耦合较弱，极易导致互联电网中的低频振荡与动态不稳定现象。低频振荡对系统的稳定性有重大影响，使得系统的传输功率受到很大限制[3]。若系统中发生低频振荡，持续一段时间后可能会消失，也可能会增加振荡的幅度，甚至破坏两系统之间的稳定性，最终导致系统解列，直接影响整个互联电力系统的安全运行。由于电力系统的复杂非线性，若电力系统的稳定运行一旦遭到破坏，就有可能造成严重的大面积停电事故，对人们的生活造成严重影响，给国家及社会造成巨大损失。低频振荡事故不仅在国内时有发生，在国外同样也不断发生。1996年美国发生的低频振荡现象，故障是由500k V线路拆除造成的，导致其中一电厂的13台机组由于错误励磁保护全部拆除，引发了系统的低频振荡，并最终导致系统故障，解列四孤立系统，影响范围涉及范围达7.49万用户。2003年，加拿大、美国相继发生了影响范围大、涉及范围广的停电事故；当年9月，在我国系统形成大规模互联后，观察到低至0.15Hz的超低频振荡，暂态不平衡功率在系统区域间传播，互联电网阻尼显著下降等现象[4]。特别是2005一年内，5月莫斯科因变电站设备短路大面积停电；8月印度尼西亚发生了影响一亿人的大面积停电；9月我国海南省因台风的破坏，电力系统全面瓦解。由此可以看出，在大力扩大电力系统规模的过程中，必须重视系统的安全稳定运行问题。
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1.2 PSS与SVC研究现状
电力系统稳定器 PSS(power system stabilizer)最早出现在 20 世纪 60 年代后期，最初被称为强力式励磁调节器。1966 年美国首台 PSS 投入工业运行，PSS在抑制电力系统低频振荡方面逐渐被各国所接受，得到广泛的应用[8]。在加拿大，PSS 较早地应用到同步发电机的励磁系统中，并起到了关键的作用，若 PSS 切除，其中一些发电机输出功率将会降低，并被限制在 50%左右。日本在 80 年代初期给绝大多数机组都安装了 PSS 以增加系统的阻尼，提高系统稳定性，并逐年加大对 PSS 模糊控制策略的研发，以更加有效地提高 PSS 阻尼振荡的能力，目前为止已取得众多专利；1980 年，我国第一台 PSS 装置成功在八盘峡电厂投入使用[4]；1984 年底，香港的青山电厂的全部机组都安装了 PSS 控制器，抑制线路中的低频振荡，提高了传输容量[8]。之后，随着互联电网规模地扩大，PSS 越来越多地被应用到电力系统中。近年来，国内从事发电机励磁技术的研究工作者不断深入 PSS 控制策略的优化研发，并且在控制器装置改进，现场试验验证等方面进行了众多有益尝试。近些年来，柔性交流输电技术（FACTS）在电力传输系统中的开发和利用逐渐被引起关注。静止无功补偿器（SVC）是柔性交流输电技术（FACTS）中最典型的并联补偿装置。通过附加控制装置的设置，SVC 对输电线路传输功率的振荡有较好的阻尼效用，可以有效地抑制区域间的低频振荡，保证电力系统稳定运行。文献[7]中提出采用鲁棒控制理论来设计 SVC 控制器阻尼低频振荡。文献[8]中提出基于自适应模糊神经网络的优化方法设计 SVC 来提高电力系统的阻尼。
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第二章 系统数学模型及原理
2.1 同步发电机数学模型
同步电机隶属于交流旋转电机，由磁场和电枢两个基本部分组成。磁场在转子上，电枢在定子上，磁场绕组用直流励磁。电机电气量的频率与转子的机械转速同步，故称为“同步电机”。当 2 台或多台同步电机互联稳定运行时，所有电机的定子电压、电流必须具有相同的频率，每台电机转子的机械转速必须与此频率同步[21]。同步发电机是系统的核心组成成员，影响着整个系统的性能。依据实际工程问题的不同，综合考虑不同程度发电机的数学模型。本文在 MATLAB 建模中使用四阶模型（双轴模型）描述同步发电机的机电振荡动态过程。
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2.2 励磁系统模型分析
发电机励磁系统的功能是通过给发电机的励磁绕组提供所需的直流励磁电流形成内部磁场，从而实现能量的转换[22]。另外，励磁系统的主要作用是通过附加信号控制磁场的电压与电流，最终实现自身的控制与保护功能。传统的发电机通过手动来调节励磁系统的电流进而维持机端电压。在电力系统稳定器出现后，大大提高了励磁控制系统在电力系统稳定中的作用。当电力系统受到外界扰动时，发电机的励磁控制系统起着保证发电机的端电压恒定的作用，在提高静态稳定功率极限的基础上进一步改善系统的静态稳定功能。若系统处于暂态过程，则励磁调节器便通过励磁快速提升发电机的暂态电势，进而提高系统的暂态稳定性，并且若发电机励磁系统具有高的放大倍数且响应快速，系统的暂态稳定的效果越发明显。因此，励磁控制系统的相关研究是电力系统稳定性研究中的重要方向。分析励磁系统时需要考虑两个方面：同步电机与电力系统。从发电机的角度出发，励磁系统提供并调节发电机的磁场电流，并使发电机的输出具有连续能力，保证端电压的稳定。从电力系统角度出发，励磁系统应该有效地控制电压，提高系统的稳定性，同时能通过励磁系统的调节来提高系统的小干扰稳定性。图 2-1给出了发电机的励磁系统结构框图，主要包括主励磁系统（励磁机）、自动励磁调节器、保护与限幅环节、电压量测与负载补偿环节、辅助调节环节等几部分。整体可分为两部分：第一部分是励磁功率环节（励磁机），主要实现发电机励磁绕组的励磁；第二部分是励磁调节器环节，通过对发电机电压、电流，接着根据规定的调节规则向励磁功率环节发出需要的控制信号，完成励磁系统的控制功能[23]。
第三章 混合智能算法的研究........25
3.1 引言.... 25
3.2 标准粒子群优化算法.......25
3.3 混沌交叉变异粒子群算法.......29
3.3.1 混沌理论简介........29
3.3.2 交叉变异算法........30
3.4 算法混合思想分析........... 32
3.5 本章小结....34
第四章 基于混合算法的 PSS 与 SVC 参数优化........35
4.1 多机电力系统仿真建模...........35
4.2 协调优化问题表述........... 38
4.3 算例仿真分析....39
4.2.1 小干扰稳定性仿真........39
4.2.2 暂态稳定仿真分析........41
4.4 本章小结....43
第五章 总结和展望.........44
5.1 全文总结....44
5.2 后续展望....45
第四章 基于混合算法的PSS与SVC参数优化
4.1 多机电力系统仿真建模
本文以四机两区域算例系统来验证不同优化算法对 PSS 与 SVC 参数整定的效果。系统单线图与仿真图分别如图 4-1、图 4-2 所示。算例系统由两个完全对称的区域通过两条额定电压 230KV，基准容量 100MVA 的交流联络线相连构成。每个区域都安设有两个相同的隐极发电机，每台发电机的额定容量为 900MVA，额定电压为 20KV。励磁控制采用带高暂态增益和 PSS 的晶闸管励磁。联络节点101 处装有一台 SVC 控制器，容量为±200Mvar，包括电压控制和附加阻尼控制器，用以稳定节点电压，减弱低频振荡，附加阻尼控制设计如图 4-3 所示。区域1 向区域 2 输出 413MVA 的功率，此系统的参数参考文献[44]。为更好地体现协调控制的优化效果，采用标准粒子群算法与混沌交叉变异粒子群算法分别优化后的参数结果作比较。联合仿真流程图如图 4-6 所示。优化过程中，设其粒子群规模为 100，迭代的最大次数为 100。优化后得到的 PSS 与 SVC控制器的参数如表 4-1 所示。
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总结
在互联电网规模日益扩大，低频振荡现象时有发生的背景下，本文提出通过加装电力系统稳定器（PSS）与静止无功补偿器（SVC）来抑制输电线路中的低频振荡，进而引出 PSS 与 SVC 协调优化控制问题。同时，计及电力系统的非线性，线性方法已不能满足互联系统的最优控制需要。基于此，在标准粒子群算法的基础上提出一种混沌交叉变异粒子群优化算法。并将此算法应用于多机系统PSS 与 SVC 阻尼控制器参数的协调优化问题中，不再拘泥于单机系统的协调控制研究。结合最优控制理论，巧妙地将协调优化问题转化为不等式的约束问题，实现了对误差信息的实时跟踪，加快了求解的收敛速度，使目标函数快速逼近最优值。最后在四机两区域算例系统上分别对 PSO 与 CCMPSO 算法进行仿真验证。结果表明，所提的 CCMPSO 优化方法能够有效抑制多机系统的低频
